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連接器的電磁干擾問題的預防和解決
[發布日期:2015-01-28  點擊次數:7498]

當今,電子系統的時鐘頻率為幾百兆赫,所用脈沖的前后沿在亞納秒范圍,高質量視頻電路也用以亞納秒級的象素速率。這些較高的處理速度表示了工程上受到不斷的挑戰。那么如何預防和解決連接器電磁干擾的問題值得我們關注。

電路上振蕩速率變得更快(上升/下降時間),電壓/電流幅度變得更大,問題變得更多。因此,今天同以前相比,解決電磁兼容性(EMC)就更艱難了。

在電路的兩個波節之前,快速變化的脈沖電流,表示了所謂差模噪聲源,電路周圍的電磁場可以耦合到其它元件上和侵入連接部分。經感性或容性耦合的噪聲是共模干擾。射頻干擾電流是彼此相同的,系統可以建模為:由噪聲源、“受害電路”或“接受者”和回路(通常是底板)組成。用幾個因素來描述干擾的大小:噪聲源的 強度、干擾電流環繞面積的大小、變化速率。

于是,盡管在電路中有很可能產生不希望的干擾,噪聲幾乎總是共模型的。一旦在輸入/輸出(I/O)連接器和機殼或地平面之間接入電纜,有某些RF電壓出現時,導致幾毫安的RF電流就能足以超過允許的發射電平。

噪聲的耦合和傳播

共模噪聲是由于不合理的設計產生的。有些典型的原因是不同線對中個別導線的長度不同,或到電源平面或機殼的距離不同。另一個原因是元件的缺陷,如磁感應線圈與變壓器,電容器與有源器件(例如應用特殊的集成電路(ASIC))。

磁性元件,特別是所謂“鐵芯扼流圈”型貯能電感器,是用在電源變換器之中的,總是產生電磁場。磁路中的氣隙相當于串聯電路中的一個大電阻,那兒要消耗較多的電能。于是,鐵芯扼流圈,繞制在鐵氧體棒上,在棒周圍產生強的電磁場,在電極附近有最強的場強。在使用回描結構的開關電源中,變壓器上必定有一個空隙, 其間有很強的磁場。在其中保持磁場最合適的元件是螺旋管,使電磁場沿管芯長度方向分布。這就是在高頻工作的磁性元件優選螺旋結構的原因之一。

不恰當的去耦電路通常也變成干擾源。如果電路要求大的脈沖電流,以及局部去耦時不能保證小電容或十分高的內阻需要,則由電源回路產生的電壓就下降。這相當于紋波,或者相當于終端間的電壓快速變化。由于封裝的雜散電容,干擾能耦合到其它電路中去,引起共模問題。

當共模電流污染I/O接口電路時,該問題必須解決在通過連接器之前。不同的應用,建議用不同的方法來解決這個問題。在視頻電路中,那兒I/O信號是單端 的,且公用同一共同回路,要解決它,用小型LC濾波器濾掉噪聲。在低頻串聯接口網絡中,有些雜散電容就足夠將噪聲分流到底板上。差分驅動的接口,如以太,通常是通過變壓器耦合到I/O區域,是在變壓器一側或兩側的中心抽頭提供耦合的。這些中心抽頭經高壓電容器與底板相連,將共模噪聲分流到底板上,以使信號不發生失真。

在I/O區域內的共模噪聲

沒有一個通用辦法來解決所有類型的I/O接口的問題。設計師們的主要目標是將電路設計好,而常常忽略了一些視為簡單的細節。一些基本法則能使噪聲在到達連接器以前,降至最小:

1)將去耦電容設置在緊挨負載處。

2)快速變化的前后沿的脈沖電流,其環路尺寸應最小。

3)使大電流器件(即驅動器和ASIC)遠離I/O端口。

4)測定信號的完整性,以保證過沖和下沖最小,特別是對于大電流的關鍵性信號(如時鐘,總線)。

5)使用局部濾波,如RF鐵氧體,可吸收RF干擾。

6)提供低阻抗搭接到底板上或在I/O區域的基準在底板上。 射頻噪聲和連接器

即使工程師采取許多上述所列的預防措施,來減小在I/O區內的RF噪聲,還不能保證這些預防措施能否成功地足夠滿足發射要求。有些噪聲是傳導干擾,即在內 部電路板上按共模電流流動。這個干擾源是在底板和電路等之間。于是,這個RF電流一定通過最低阻抗(在底板和載信號線之間)的通路流動。如果連接器沒呈現 足夠低的阻抗(與底板的搭接處),這RF電流經雜散電容流動。當這RF電流流過電纜時,不可避免地產生發射。

使共模電流注入到I/O區的另一機理,是附近有強的干擾源的耦合。甚至有些“屏蔽”連接器也無用,因為干擾源就在連接器附近,如PC機環境。如果在連接器和底板之間有一個缺口,此處所感應的RF電壓可以使EMC性能下降。

屏蔽連接器方法有,加指形簧片或墊片。連接器的搭接,是在連接器和機殼之間填滿空處。這個方法要求有一個襯墊。金屬襯墊較好,只要處理合適,也就是說,只要表面不被污染,只要手不觸及或損壞襯墊以及只要有足夠的壓力,以保持好的、低阻抗的接觸。

別的方法是連接器裝接頭片或者把連接器安裝在機殼上。此時,最大接觸面稍微小些,且應嚴格控制接頭片的尺寸和彈性。安裝屏蔽連接器時,在機殼上開口,開口的一側要去掉油污,要仔細制作,若公差不合適,導致連接器在機殼內陷入太深,使搭接中斷。每位EMC工程師知道,在“極好”的系統當中,這個問題一定要滿足發射要求,并在生產線及時檢查。未緊固的或彎曲的襯墊,安裝于關鍵區域的油污上,將失效。

由于下述原因選用了EMI連接器:

1)導電發泡塑料是極其柔軟的,且能放在連接器的整個周圍。這就消除了與另一機殼、襯墊有關的問題。

2)機械工程師可以在系統機殼可接收的公差范圍內安裝連接器。

3)連接器與機殼實現低阻抗搭接,以保證良好接觸。機殼壁內側上的襯墊,當要涂漆有遮蔽要求時,可以用更柔軟的材料。

4)要求強迫冷卻的設計,襯墊最好有另一特點:連接器和機殼壁之間的縫應密封起來,以減少氣漏。在有塵埃的環境中,襯墊要起到系統內保持干凈。

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